基于PLC的中央泵房自动控制.docx
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基于PLC的中央泵房自动控制
基于PLC的中央泵房自动控制
摘要
本文采用西门子S7200系列工业级PLC及先进的过程控制软件对矿井水泵房设备运行实施实时监控，自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守。
控制系统通过以太网接入矿井工业以太网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享，满足矿井自动化控制的要求。
综合考虑矿井各种安全信息，实现井下排水监控系统的最优控制策略；井下排水监控系统的报警，信息显示，报表统计处理全部融入整个矿井监控系统的数据系统。
从而实现中央水泵房的自动控制功能。
本文重点讨论了中央水泵房的自动控制设计过程、通信、模拟仿真等问题。
关键字：
PLC，，MCGS，工业以太网
ABSTRACT
Thisthesisutilizesconcentratingcontroller,andtheminewaterpumproomequipmentoperationimplementreal-timemonitoring.Automaticandmanualcontrolpumpsstartandstop,andthecontrolgateonoroff.Thissystemhassincediagnosisfunctionandcanrealizethewaterpumproomtobeunattended.ThecontrolsystemthroughtheEthernetaccessesmineindustryestheticdrynets,torealizethesupervisorycontrolsubsystemoftheminewaterpumpandthemonitoringsystemofinformationsharingtomeettherequirementsofmineautomaticcontrol.FocusontheS7200seriesindustrialcontrollerSiemensPLCandadvancedprocesscontrolsoftware,consideringthevarioussafetyinformation,realizingmineundergrounddrainagemonitoringsystemoftheoptimalcontrolstrategy;Undergrounddrainageofthemonitorsystem,accordingtothepolice,informationstatementstatisticstohandleallembracingallofminemonitoringsystemofthedatasystem.Soastorealizethecentralwaterpumproomautomaticcontrolfunction.
Thisthesisismainlyabouttheautomaticcontroldesigninthecentralwaterpumproomoftheprocess,communication,simulation,etc.
KEYWORDS:
PLC,MCGS,IndustrialEthernet
前言
井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程，担负着井下积水排除的重要任务。
目前矿井主排水系统仍多采用传统的继电器控制方法，这种检测控制方法效率低，工人劳动强度大，且由于井下环境恶劣，故障率较高。
所以靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要，取而代之的是自动化排水系统。
随着控制理论和现代检测技术的发展，自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步。
本文分析这种排水系统的组成及工作过程，指出其存在的问题，为井下主排水系统自动控制的研究提供依据。
矿井中央泵房无人值守自动化系统应该具有以下的一些功能和特点：
系统应满足水泵机组起停、故障诊断和数据处理上完全自动化，不需要人工干预；达到节约能源和人力资源的功能，并能长时间连续稳定地工作。
目前，PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用，在矿井排水系统中，采用PLC自动监测排水系统的运行状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。
本文主要集中在中央水泵房的自动控制上，使水泵能够自动运行，并通过以太网把各种信息上传到地面的上位机上，从而实现远程监控。
本设计利用MCGS组态软件模拟出运行的画面和过程。
第1章井下中央水泵房存在的问题
目前，我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统，以离心式水泵系统为主。
这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。
当水仓水位到达设定的高水位时，工人打开射流泵（或真空泵），为水泵抽真空，同时观测真空表的读数。
真空度达到要求后，起动水泵机组，使水泵运转。
当水泵出水口压力表读数达到要求时，开起闸阀进行排水，同时关闭抽真空的射流泵（或真空泵）。
停泵过程要进行相反的操作。
当水仓积水降至低水位时，先将闸阀关死，再停水泵机组。
根据现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水泵工作，以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理使用，避免过度频繁的起停。
其存在的问题有如下几点：
1、效率低、可靠性差。
这种排水系统的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各个执行件的操作。
另外，对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。
作业过程比较复杂，要求工人具有很强的责任心，否则可能出现误操作，甚至发生大的事故。
2、工人劳动强度大。
人工操作无法避免高强度的劳作。
尤其是闸阀的操作，劳动量最大。
而且，水泵房要时时有人值守，以便在发生异常情况时，及时报警检修。
第2章中央水泵房系统的特点
2.1安全可靠性
本系统采用高可靠性的多线制开关量接口“星型”结构模式。
所谓多线制结构模式就是控制核心PLC与被控设备采用多线制的开关量接口作为控制及反馈的接口，因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点，同时这种结构本身是一种“星型结构”，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性[1]。
系统结构见下图：
图2-1多线制开关量接口“星型”结构模式
这种结构形式具有如下特点：
1、自动模式下由PLC通过开关量输出模块控制被控设备，当系统转为手动模式，或者PLC故障、PLC失电等特殊情况下，系统自动转为手动模式，可以通过操作就地控制柜上的按钮以继电控制的方式进行手动操作，而不是通过PLC或数据口通讯的方式控制被控设备。
如下图所示：
图2-2手动和自动模式转换
2、系统具有高可靠性。
因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点，同时这种结构本身是一种“星型结构”，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性。
3、手动操作方式为集中操作。
对于某一台泵而言，其手动操作完全可以通过在水泵附近的就地操作柜进行全部的手动操作，例如真空泵操作、排气阀操作、排水泵操作、主排水电动阀操作等等，不用到这些被控设备附近进行操作。
4、主排水泵运行电量的采集灵活。
主排水泵运行电量的采集即可以通过电磁启动器的微机综保的智能数据接口采集，也可以通过多线制方式直接采集二次侧的电流、电压输出，第二种采集方式特别适合于矿井电力自动化占用微机综保的智能数据接口情况下的电量采集。
5、系统布线较复杂。
由于系统采用了多线制星型的结构，所以必然造成布线较多、较复杂的缺点，但也正因如此，为系统的可靠运行提供了保证[2]。
2.2先进性和适用性
由于采用了光纤环网通讯技术取代了原来的总线传输技术使得数据传输更加快捷、可靠。
并且采用了MCGS组态软件控制技术取代了VC.net编程技术，不仅使可靠性大为提高而且使程序更加具有通用性，也使系统的二次开发及扩容变得更加规范、容易。
对于多级提升的矿井排水系统可以通过安装多级自动化排水设备做到由地面调度中心根据各级泵房水仓容量及液位统筹调度，实现高效、经济地运行。
同时在发生透水事故时可以做到统一动作、统一指挥。
本系统遵循矿井综合监控系统标准子系统接口规范使得该系统可以非常容易地并入矿井综合监控系统中，与其它子系统实现数据的共享。
水泵前轴预装温度、振动一体化传感器，即保证的测试精度，同时又为设备维护创造了方便的条件。
PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。
该程序结构具有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点；并可利用PLC控制柜上的触摸屏，可实现界面切换、系统巡查、故障复位、控制方式转换等功能。
2.3经济性
由于本系统是按照无人值守的原则进行设计，所以现场无需人员进行值守，这样就节省了大量的人力资源。
引入百米吨水电耗的概念，将实时百米吨水电耗参数显示在监控主界面，同时，用户可以对百米吨水电耗变化曲线进行查询。
将电价的避峰填谷原则引入水泵启动算法中，使得水泵耗能处于最经济的状态。
通过对水仓水位的启动水位、报警水位、超限水位、停机水位的设定，在保障水仓水位绝对安全的前提下，使水泵的启动次数及达到了最少。
水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数，自动化控制系统设置了两套水位传感器，模拟量的超声波水位仪和开关量浮球式液位开关，两套传感器均设于水仓的配水井内，同时并联工作，保证系统可靠运行[3]。
第3章中央水泵房功能及数据采集
3.1系统功能
3.1.1地面监控机的主要功能
1、实时记录、显示现场运行数据。
2、实时与采区PLC数据通信，采集现场的检测参数。
3、实时监测采区开关的闭合状态。
4、在远程控制允许的方式下，实现对各水泵的启停运行控制。
5、具有采区水泵的工艺画面的动态模拟。
6、对井下设备的启停控制实时记录，便于对设备的操作查询管理。
7、具有操作人员的登录管理功能，有效防止非法操作、误操作。
8、具有实时动作状态变化报警提示。
9、可以查询设备实时运行数据及历史运行数据。
3.1.2采区控制站完成的功能
1、实时采集水泵的出水口压力，并根据此值作为保护电机的一项参数。
2、实时采集水泵进水口的真空度，在启动电机时作为启动的依据。
3、对井下泵房的排水泵、抽真空系统和电动阀门的自动监控。
4、实时采集开关的电压、电流运行参数以及故障保护信号。
5、实时采集两水仓水位，在自动运行方式时，根据水仓水位的液位控制电机的自动运行[4]。
6、实时采集出水母管的管网压力和出水总流量。
7、实时采集水泵电机温度，作为电机是否运行正常的依据。
8、就地控制箱安装工业以太网模块通过矿井千兆工业以太网将运行数据传到地面监控机。
9、通过就地控制箱，就地控制系统运行。
3.1.3自动轮换工作
为了防止电气设备长期不用而使电机和电气设备受潮或锈死，在工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井安全，系统程序设计了自动轮换工作控制：
当水位大于超限水位时，同时开启五台水泵；当水位大于报警水位时则同时开启两台水泵；当水位大于启动水位时开启一台水泵，当水位小于停止水位时则关闭所有水泵。
从而延长其使用寿命，保证煤矿的安全生产。
3.1.4自动控制
水泵内部只有达到一定的真空度，使其叶轮完全淹没于水中，才能实现正常的排水。
若真空度不够，泵内有空气存在，将会造成不上水和转动部件烧坏等故障。
系统一般采用真空泵抽真空，由真空表监测真空度，正常运行情况下，有出口压力、流量和真空度三个参数判断水泵运行是否正常。
3.1.5动态显示
就地动态模拟显示选用操作屏，地面操作站系统动态模拟显示采用组态王组态软件开发，系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动闸阀的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警，直观地显示电磁阀和电动闸阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况和出水口压力值。
用实时趋势图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警，用事先录制的语音提示形式提醒操作人员注意。
采用图形、趋势图和数字形式直观地显示趟管路的瞬时流量及累计流量、水泵轴温、电机温度等动态值，超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并通过每台水泵的流量计算出水泵的有效功率，以提醒巡检人员及时检修或更换水泵.
3.2数据采集与检测
数据采集主要由PLC实现，PLC通过超声波水位计连续检测汲水小井水位，将水位变化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入或退出水泵。
电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，温度超限报警。
PLC采集各种系统中各个设备状态的开关量信号进行处理，控制每个水泵系统的启停。
3.2.1传感器及执行机构安装位置
1、在每个水泵出水管路安装压力传感器。
2、每台水泵安装一个贴片式磁钢温度传感器，检测水泵回水温度。
3、每个水泵配套的排真空装置的阀门应安装自动、手动电动球阀。
4、在水泵的吸水管安装一个真空度传感器。
5、在集水井安装一个投入式液位传感器，作为控制水泵启动的主要数据
6、闸阀配置为即可电动又可手动电动闸门。
7、在水仓安装浮球式液位开关，作为系统的备用控制数据。
8、在两个总出水管分别安装压力传感器及流量计
3.2.2水位信号
水池水位信号是系统工作的主要控制信号，PLC要根据水位变化情况来控制水泵的运行情况，并在触摸屏上进行动态显示，能够直观地观察到水位的高低情况，便于管理人员及时了解水位情况，当高水位时发出声光报警信号。
为保证水池水位信号的准确采集，系统配置了两套水位检测方式：
一种就是正常运行时采用的模拟量输出的投入式液位传感器，另一种就是备用的开关量输出的浮球式液位传感器。
两种水位检测方式可以人为地进行切换。
3.2.3真空状态检测
根据水泵工作要求，要控制水泵启动必须是在真空度达到设定值时才允许启动，所以启动过程中，对真空度的检测要适时、准确，并可以动态显示。
根据以往的工程实践证明，真空状态的检测是水泵控制系统的重点，为保证准确地检测，除在每台水泵吸水口上安装真空度传感器以外，还要在真空泵的出水口安装流量开关，通过检测真空泵出水口是否有水流对真空度进行确认。
3.2.4电量参数的采集
通过对每台水泵电机的三相电压、三相电流信号的采集，能够准确地判断系统运行的状态，特别是决大多数故障在早期均体现在电机电流的变化上。
所以通过准确地检测电机的工作状态，可以及时地甚至提前对故障进行预警。
以便于维护人员提前发现故障。
3.2.5系统参数的采集
系统参数包括两个主排水管的累积流量及瞬时流量、每台泵的运行时间、各种阀门的状态等。
这些参数不仅是水泵启、停的必要依据，同时也是对系统进行统计、查询的重要依据。
第4章中央泵房系统总体设计
4.1系统工作原理及工作方式
泵房水泵启动开关的电量参数由PLC配以各种开关量、模拟量的输入输出模块以及以太网通讯模块共同完成。
PLC自动巡检，通过扩展工业以太网模块及井下以太网交换机及光纤收发器传给地面调度中心。
全自动运行时，系统的井下下位机PLC实时采集水仓水位和浮球状态，并根据水仓水位情况和浮球的状态，按照各台水泵的运行时间长短启动相应水泵的运行或停机。
不需要人工参与。
下位机在正常运行过程中，可以脱离上位机的通讯仍能正常运行。
就地手动工作方式时，根据水仓水位或浮球状态，就地通过现场手动控制柜手动控制水泵的启停。
远程手动工作时,由授权值班工作人员通过上位计算机控制水泵的启动和停止；系统在正常运行过程中，不论何种工作方式，均可实时将现场的各种参数、设备状态通过工业以太网传到地面调度室。
图4-1水泵自动化控制程序系统图
4.2基于PLC的矿井主排水控制系统设计
系统由PLC（可编程逻辑控制器）、触摸屏、检测部分（模拟量和开关量采集）和执行部分等组成，其硬件结构如图4-2所示。
图4-2排水控制系统硬件结构图
PLC（ProgrammableLogicController），即可编程逻辑控制器，定义是：
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC的主要特点：
1）灵活、通用
在继电器制系统中，使用的控制装置是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电气控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。
如果因为工艺上少许变化，需要改变电气控制系统时，原先整个电气控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗费大量人力、物力、和时间。
而PLC是通过在存储器中的程序实现控制功能，若控制功能需要改变，只需修改程序及少量接线即可。
而且，同一台PLC还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同控制的控制要求。
因此，PLC具有很大的灵活性和通用性，结构形式多样化，可以适用于各种不同规模、不同工业控制要求。
2）可靠性高、抗干扰能力强
可靠性是工业控制器件的重要指标。
因此，要求在各种恶劣工作环境和条件（如电磁干扰、灰尘等）下可靠工作，将故障率降至最低。
PLC具有很高的可靠性和抗干扰能力，不会出现继电器一接触器控制系统中接线老化、脱焊、触点电弧等现象，故被称为“专为适应恶劣工业环境而设计的计算机”。
3）编程简单、使用方便
PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。
目前，PLC大多采用梯形图语言编程方式，它既继承了继电器控制线路的清晰直观感，又考虑到电气技术人员的读图习惯和应用实际，电气技术人员易于编程，程序修改灵活方便。
这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与汇编语言相比，虽然增加了解释程序和程序执行时间，但对大多数机电控制设备来说，PLC的控制速度还是足够快的。
此外，PLC的I/O接口可直接与控制现场的用户设备联接。
如继电器、接触器、电磁阀等联接，具有较强的驱动能力。
4）接线简单
PLC只需将输入设备（如按钮、开关等）与输入端子联接，将输出设备（如接触器、电磁阀等）与输出端子联接。
接线极其简单、工作量极少。
5）功能强
PLC不仅具有条件控制、定时、计数、步进等控制功能，而且还能完成A/D.D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。
因此，PLC既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。
可控制一台单机、一条生产线，也可控制一个机群、多条生产线。
可用于现场控制，也可用于远距离控制。
可控制简单系统，又可控制复杂系统。
6）体积小、重量轻、易于实现机电一体化
PLC具有体积小、重量轻、功耗低等特点。
由于PLC是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用，以及有很强的可靠性和抗干扰能力，易于嵌入机械设备内部。
因此，PLC在机电一体化产品中被广泛应用。
4.3系统配置
4.3.1软件配置
主监控系统操作系统软件为WindowsXPProfessional，编程软件采用西门子公司的STEP7V5.3SP3，组态软件采用MCGS。
4.3.2设备清单
ZP-30矿用自动排水控制装置设备清单
名称
规格
数量
生产厂家
集中操作台
KXJ1-200/660-3C
1
广州市昌宁机电设备有限公司
集中控制柜
KXJ1-200/660-3
3
就地控制柜
KXJ1-200/660-3L
7
电源柜
KDW660
1
北京鼎天数码
本安接线盒
KHH系列
4
常熟市练塘胶木塑料配件厂
传感器
真空度传感器
GYD-1
6
上海鼎鑫仪器仪表有限公司
压力传感器
GYD-10
8
投入式液位传感器
GUY10量程6.5m
2
上海坤嘉自动化科技有限公司
超声波流量传感器
LCZ-803
2
唐山汇中大方
浮球开关
ZQK-600-3K
2
大连玛赫
显示
仪表
耐震真空度表
YN-60（0-1.6MPa）
6
无锡市特种压力表有限公司
耐震压力表
YN-60
8
无锡市特种压力表有限公司
阀门
电动球阀
DFH25/7DN20
19
淄博德贝尔矿山设备有限公司
手动球阀
Q11FP-16C，DN20
15
天津塘沽阀门厂
电动闸阀
Z941H-40CDN300
6
常州贝斯特
异径外接头
DN50*20
1
广州市昌宁机电设备有限公司
软件
人机界面软件
1
PLC控制软件
1
上位机组态软件
WINCC
1
西门子
上位机组态应用软件
1
广州市昌宁机电设备有限公司
监控
中心
光口工业换机
KIEN-2000
1
东土科技
工控机
IPC-610H
1
研华科技
不锈钢水箱
400*600*600
2
广州市昌宁机电设备有限公司
真空泵
SZB-4
2
博山超亚
第5章以太网通信设置
如果要将S7200PLC与以太网网络连接，则必须在STEP7-Micro/WIN软件中配置CP243-1以太网模块，通过下图一步步配置。
图5-1以太网向导
CP243-1以太网模块通过RJ45以太网电缆与S7200连接，通过以太网LAN与PC机连接，如下图所示：
图5-2CP243-1模块连接应用
5.1以太网通信程序
在STEP7-Micro/WIN软件中设置完以太网向导后，则需要编写以太网通信程序，先进行以太网初始化和控制，然后是以太网数据交换，下面通过两种语言来编写程序，其原理是相同的。
梯形图更直接的展示出来，如下图所示：
图5-3以太网初始化和控制
图5-4以太网数据交换
STL语言：
以太网初始化和控制
LDSM0.0
CALLETH2_CTRL:
SBR7,V2000.0,VW2002,VW2004
以太网数据交换
LDSM0.5
=L60.0
LDSM0.5
EU
=L63.7
LDL60.0
CALLETH2_XFR:
SBR8,L63.7,Connection2_0:
VB460,PeerMessage20_1:
VB461,V2000.1,V2000.2,VB2005
5.2MCGS与PLC之间的连接
MCGS通过上位机中的串行口设备和PLC上的通讯单元（编程口）建立串行通讯连接，从而达到操作PLC设备的目的。
PLC的默认设置是只支持RS232通信，所以要使用RS485通信协议，必须事先用RS232（即PLC的编程口）通信，设置寄存器PLCD8120寄存器[8]。
此次MCGS通过监控计算机的RS-232串行口读取PLC存储区的数据，与PLC建立连接。
MCGS的结构形式使其成为一个“与设备无关”的系统，对于不同的硬件设备，只需定制相应的设备构件，放置到设备窗口中，并设置相关的属性，系统就可对这一设备进行操作，而不需要对整个系统结构作任何改动。
根据本系统的需求，则需要西门子S7-200_CP243-1以太网设备，通过设备的属性设置使MCGS与PLC连接。
如下图所示：
图5-5MCGS与P
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